有机质氧化还原状态预测北方泥炭地生态系统中甲烷的产生

《Ecosystems》：Organic Matter Redox Status Predicts Methane Production in Boreal Peatland Ecosystems

　　

北方泥炭地是碳储存的重要场所，但控制这些生态系统中甲烷（CH₄）产生的机制尚未被完全理解。氧化还原活性有机物（RAOM）的还原是一个研究不足的机制，在该机制中，微生物在厌氧呼吸中将固相（即泥炭）有机物用作末端电子受体。由于能量上的优势，RAOM还原会抑制产甲烷作用，并且常被用来解释为什么某些泥炭地生态系统在考虑其他电子受体后，其CH₄产生量低于预期。鉴于RAOM在调节CH₄产生中的作用，研究人员汇编了来自美国北方泥炭地的数据集，这些数据集使用电子穿梭能力（ESC）测定法定量了RAOM的氧化还原状态，并评估了在实验室和原位野外培养中RAOM还原如何预测CH₄产生。在所有实验室培养中，随着RAOM被还原，CH₄产生呈线性增加，解释了随时间变化的平均CH₄产生的20%。在沼泽（bogs）中的预测能力比在矿养泥炭沼泽（fens）中更强，尽管两者在RAOM还原达到一定阈值（约20 μmoles e^?/g dw泥炭）之前产生的CH₄可忽略不计（<0.01 μmoles）。在野外培养中，随着RAOM变得更加还原，CH₄产生也线性增加，解释了平均CH₄产生的60%。总体而言，RAOM氧化还原状态是北方泥炭地生态系统中CH₄产生的良好预测指标，与越来越多的证据一致，表明RAOM是泥炭地厌氧呼吸的主要末端电子受体。该研究表明，将RAOM动态纳入泥炭地碳循环框架有助于改进对当前和未来CH₄排放的预测。

北方泥炭地是重要的陆地碳汇，储存了大量有机碳，但也是大气甲烷（CH₄）的重要自然来源。在全球变暖背景下，理解控制CH₄产生的机制对预测未来排放至关重要。目前已知，无机末端电子受体（TEA）如铁、硫酸盐等可通过热力学优势抑制产甲烷作用，然而北方泥炭地中无机TEA含量通常很低，理论上应有利于产甲烷，但实际观测到泥炭地中CO₂产生常超过CH₄，暗示存在未识别的控制因素。氧化还原活性有机物（RAOM）作为固相TEA，可在厌氧呼吸中被微生物还原，并竞争性抑制产甲烷。已有证据表明RAOM可能是泥炭地中最丰富的TEA，但其氧化还原状态难以直接测定。电子穿梭能力（ESC）测定法可间接反映RAOM被微生物还原的程度。然而，关于RAOM还原与CH₄产生之间的关系在实验室和野外条件下是否一致，以及不同泥炭地类型（沼泽bog和矿养泥炭沼泽fen）中是否存在差异，仍缺乏系统评估。为此，研究人员汇编了来自美国北方多个研究点的历史数据，旨在回答ESC与CH₄产生在实验室和原位培养中的关系。该研究成果发表于《Ecosystems》。

研究主要依赖电子穿梭能力（ESC）测定法，通过测量泥炭样品中还原态RAOM向氧化态铁（Fe(III)）传递电子所产生的Fe(II)量，间接量化RAOM的氧化还原状态。实验室培养中，将充分氧化的泥炭在厌氧条件下（氮气顶空）于15–22°C培养37–92天，定期测定ESC及CH₄和CO₂产生量。野外培养采用“peat peeper”装置，将均质化商业泥炭（common-substrate peat）原位放置于泥炭地约1个月，回收后测量ESC和碳气体产生。数据集覆盖美国Bonanza Creek LTER、Marcell Experimental Forest、密歇根理工大学和UNDERC等研究点，包括多个沼泽和矿养泥炭沼泽样地。统计上使用R软件